【精选】地面数字电视单频点同播4套高清节目的实践及视频质量评估BG皇冠体育

　　BG皇冠体育本文提出了一种利用视频质量评估来优化地面数字电视单频点同播高清节目套数的方法。根据我国地面数字电视（DTMB）信道编码、城市无线覆盖的实际情况，以及编码复用前后的视频序列，进行客观视频质量评估计算结果，优化播出设备参数，实现在保证终端接收视频质量的前提下，尽量提高数字电视无线传输覆盖的频带资源的利用效率。

　　叶伟明，男，1971 年 1 月生，广东省广播电视技术中心电调总台，高级工程师，大学学历，理学学士。主要从事电视和调频广播无线传输覆盖领域的技术管理和研究工作。2014 年和 2016 年分别获国家广电总局颁发的“全国广播电视技术能手”称号。

　　广州市越秀山电视发射机房充分利用现有广播电视发射台站的资源优势，最大限度挖掘广播电视无线频谱资源，尽可能降低建设成本和运营成本，开展了地面数字电视单频点同时播出 4 套高清节目的实践工作，并取得了令人满意的收视效果。

　　按照国家广电总局制定的《全国地面数字电视广播频率规划》文件要求，我们结合广州越秀山无线发射机房的设备配置情况，在地面无线 成功构建了DTMB 制式下高清电视节目同播的数字电视发射系统。系统链路构成主要包括了信号源前端、发射机、监测和天馈线等部分，系统拓扑图如图 1 所示。

　　在系统构建的实践工作中，单个多路编码器最多可对四路 HD-SDI 信号进行编码，视频编码格式为 AVS+，音频编码格式为 DRA，编码器完成信号编码后输出 TS 流，送入复用器，动态统计复用成 TS 复用流。主备两路 TS 复用流分别送到 ASI 切换器，由其根据判断规则，实现主备 TS 流的互为备份，并按用户需求把 TS 流信号分配输出给监测及发射机部分。

　　在系统构建伊始，我们充分考虑了 UHF 频段数字电视信号对广州城市及周边地区的场强覆盖、有效接收以及多年以来进行地面无线数字电视信号覆盖的经验等方面因素，折衷考量了接收效果和信号覆盖范围两者之间的矛盾，最终在发射机信道编码工作模式上，选择了 16QAM 调制方式、FEC=0.8、PN420、交织 720 的工作模式BG皇冠体育，经过后期现场信号场强收测情况及实际收看效果验证，选择该信道编码工作模式是比较合适的。

　　按照国家标准化管理委员会发布的《GB20600-2006 数字电视地面广播传输系统帧结构、信道编码和调制》标准，采用了调制方式 16QAM、FEC=0.8、PN420、交织 720 工作模式，其系统净荷数据率为 21.658Mbps[1]。在如此低的压缩码率下，要实现 4 套高清电视节目同播的目标，每套高清节目的平均压缩码率必须得控制在 5.2Mbps 以下BG皇冠体育。

　　在视频重建质量评估中，PSNR是最常用的客观测试指标，其方法是对测试信号进行比特量化，求出源视频图像采样点像素值 X 和解码重建视频图像对应采样点像素值 Y 的方差（MSE），即采样点像素噪声近似，然后把各像素噪声值之和与整帧图像像素总数求平均得到 PSNR 值BG皇冠体育。

　　SSIM 算法引入结构相似性的概念，克服了 PSNR 算法逐像素计算两幅图像差异的不足，从亮度、对比度和结构三个维度来描述压缩前后两幅图像之间相关性。其算法核心是认为人眼视觉是从视野中提取结构信息的，对结构信息的评价应该是对视觉感知的一个近似，从图像组成角度考量，结构信息定义为独立于亮度、对比度的，反映场景中物体结构的属性，那么，通过综合比较亮度、对比度和结构的差异得到 SSIM 计算结果，将更能体现人类视觉系统对两幅图像相似性的判断。

　　不管是 PSNR 算法，还是 SSIM 算法，它们都是仅在视频帧内对编码决策进行优化估算视频质量，缺乏对于视频帧间相关性的总体评估，容易导致计算结果与主观感受不相符的问题。由此 Netflix 公司推出了 VMAF 视频质量比较分析工具，其核心思想为面对不同特征的视频源、失真类型以及失真程度，通过机器学习算法，把大量主观数据作为训练集，训练成场景应用模型，为每个基本指标分配一定的权重，将不同评估维度的指标进行“融合”，最终得到一个更准确反映主观意志的画质评价指标。

　　本次实践中我们选择了 4 个具有代表性应用场景的高清视频序列。为了确认本次实践中所采用高清编码器的性能能够满足同时播出 4 套高清数字电视节目的技术要求，我们采用了如图 2 所示的视频图像质量评估方案，以获取编码后图像和源图像的视频质量差别。

　　首先，系统硬件部分分别对不同应用场景的信源视频序列进行编码和解码，然后把解码前后的 HD-SDI 视频信号送入码流录制模块，实现视频图像的格式转换，生成 YUV 格式文件，最后在图像质量分析模块中，实现对解码前后的视频质量分析结果计算。

　　我们把分析计算结果整理成表格（见原文）。一般来说，当 VMAF 分数为 70 时，可以理解为主观评估方法是普通观众在1080p 和 3H 条件下的“好”和“一般”之间的投票结果，那么按各表所列结果可推知，对于帧间变化不明显、细节相对较少BG皇冠体育、运动平缓的视频序列（如测试序列 2），编码器采用低码率时，也能获得不错的重放表现，而对于包含大量随机运动、细节多或图案纹理复杂、帧间相关性较大的视频序列（如测试序列 1、3、4），则编码器码率需要采用较高码率，否则编码性能表现会不理想，因此，要满足四套高清数字电视节目的同播要求，还需要采取一些有效的优化措施。

　　根据数字电视节目的规划要求，本次在 DS-17 频道同播的四套高清节目分别为广东体育高清频道、广东卫视高清频道BG皇冠体育、广东影视高清频道和广东少儿高清频道。节目内容特点主要表现为广东体育高清频道以播出体育节目为主，内容多为运动、高速变化场景；广东少儿高清频道节目以播出动画节目为主，内容多为无复杂、低速变化场景；另外两套节目的码率要求则介于这两套节目之间。

　　对于一般广播电视节目来说，不可能一直保持高运动或者低图案纹理状态，因此，为了提高编码复用效率，在本次实践中，我们专门采用了具备标准闭环动态统计复用技术的复用器，用于编码后码流复用。

　　相比于一般复用器，在总输出带宽固定的前提下，动态统计复用器能够根据不同节目类型以及同一节目视频图像在不同时间点上的复杂度，进行动态码率控制，按需分配，用简单图像的冗余带宽，支持复杂图像的高码率编码，在保证图像质量的前提下，可获得 1.5dB 以上的码率增益效果。

　　为了充分提高播出节目对带宽的利用效率，我们充分考虑了这四套节目的视频图像特性，分别按需求对各套节目的压缩码率范围以及优先级进行了适应性调整。

　　在实际播出过程中，我们利用码流分析仪实时监测动态复用器的码流输出，各套节目的码率动态变化范围基本上反映了节目内容的变化情况。

　　在近半年系统试运行期间，我们通过各种渠道向观众们了解该频道开路接收以及各套节目的视频质量效果，从用户反馈信息来看，终端用户对该频道播出的各套节目视频质量还是比较满意的。

　　目前，虽然视频质量评估作为视频质量保证的关键技术，在新媒体视频应用中日益广泛，但其在地面无线数字电视方面的应用却鲜有实例，鉴于此，通过这次实践，我们尝试了视频质量评估技术在地面无线数字电视方面应用的可行性，为广电发射台站进行类似项目建设提供了重要借鉴作用。

　　[1]国家质量监督检验检疫总局, 中国国家标准化管理委员会. 数字电视地面广播传输系统帧结构、信道编码和调制: GB 20600—2006[S]. 北京: 中国标准出版社, 2007.